Beyin Haritalama Nasıl Çalışır?

İnsan beyni , 100 milyar nöron ve destek hücresinden oluşan bir düğümdür . Orada bir ömür boyu hatıra saklayabiliriz . Onu soneler yazmak ve uçaklar yapmak için kullanabiliriz . Elbette, bir filin beyni daha büyüktür, daha ağırdır ve daha fazla nörona sahiptir, ancak filler de bizim yeteneklerimizden yoksundur. İlginizi çekti mi? Bilim adamları kesinlikle. Tamamlanması on yıllar alabilecek önemli bir proje olan insan beyninin haritasını çıkarmalarının bir nedeni de bu.

Beyin haritalama, beynin yapısını işleviyle ilişkilendirmeye veya hangi bölümlerin bize belirli yetenekler verdiğini bulmaya çalışır. Örneğin, beynimizin hangi yönü yaratıcı veya mantıklı olmamızı sağlar? Buna işlevin yerelleştirilmesi denir .

Bilim adamları, beyin fonksiyonlarını haritalarken, beyni çeşitli görevler üzerinde çalışırken izlemek için görüntüleme kullanırlar. San Antonio'daki Texas Üniversitesi'nde nörobiyolog olan Charles Wilson, işlevin lokalizasyonunu şu şekilde açıklıyor:

Beyin haritalaması ayrıca dışarıdan içeriye bakar. Örneğin, beynin öğrenme ve yaşlanma süreçleri yoluyla fiziksel olarak nasıl değiştiğini inceleyerek çevremizin beynimizin yapısını nasıl değiştirdiğini inceler . Beyin haritalaması, zihinsel hastalıklar ve diğer beyin hastalıkları sırasında beyinde fiziksel olarak neyin yanlış gittiğini de inceler.

Son olarak, beyin haritalama, bize beynimizin yapısının tam bir resmini vermeyi amaçlar. Google Earth bize gezegenimizin uydu görüntülerini gösterir ve kıtaları, ülkeleri, eyaletleri, şehirleri, otoyolları, sokakları ve binaları yakınlaştırır. Beynimizin tam bir yapısal haritası benzer olabilir. Bize tüm beynimizi gösterebilir; tüm bölgeler, fonksiyonel loblar, özelleşmiş merkezler, beyin parçalarını birbirine bağlayan kalın nöron "demetleri", nöron devreleri, tek nöronlar, nöronlar arasındaki bağlantılar ve son olarak nöron parçaları. Bilim adamları hala bu devasa haritayı oluşturabilecek parçaları geliştiriyorlar.

Beyin haritalama, birçok farklı aracın bir koleksiyonudur. Araştırmacılar beynin görüntülerini toplamalı, bu görüntüleri veriye dönüştürmeli ve sonra bu verileri beyin gelişirken neler olduğunu analiz etmek için kullanmalıdır.

Araştırmacıların beyni nasıl haritalandırdığını öğrenmek için okumaya devam edin.

1. Beyin Haritalama Teknolojisi ve Yöntemleri
2. Beyin Haritalamanın Kullanım Alanları
3. Beyin Atlası: Beyin Haritalarını Nasıl Kullanıyoruz?
4. Komple Beyin Haritası

Bilim adamları, beynin yapısını ve işlevini incelemek için birçok yöntem kullanır. Sağlıklı beyinlerin fotoğraflarını çekerler ve bunları hastalıklı beyinlerle karşılaştırırlar. Ayrıca insanlardan, primatlardan ve küçük memelilerden alınan beyinleri inceleyerek omurgasızların daha küçük sinir sistemlerinin nasıl çalıştığını anlamaya çalışıyorlar. Mikroskobik düzeyde, nöronları da incelerler.

İşte beyin haritalamada kullanılan bazı araçlar. Bu teknikler beynin görüntülerini alır:

Bu teknikler beyin aktivitesini inceler:

Yeni yöntemler, araştırmacıların sağlam bir beyindeki nöronlar arasındaki tüm bağlantıları görmelerini sağlıyor. Bu çalışma dalına konektomi denir . Bir beynin "bağlantı şeması"na bağlantı adı verilir [ kaynak: Lichtman ]. Bazı yeni teknikleri geliştiren gruba liderlik eden Harvard biyoloğu Jeff Lichtman, "Yakın zamana kadar bu bağlantı şemalarını elde etme umudumuz yoktu" diyor. "Tek tek hücreleri görebilirdik, ama hepsini bir kerede asla."

One such technique, known as Brainbow, labels every neuron in a live animal's brain a different color. By generating images of the animal's brain, scientists can see where and how neurons connect to each other. As the animal grows and ages, they can also watch how the neurons change connections.

Another technique uses the ATLUM, or automatic tape-collecting lathe ultramicrotome. This machine reads the wiring diagram of a brain. "We do something akin to paring an apple," explains Lichtman. "We essentially shave off a spiral cut as we rotate the brain on a lathe and put this ribbon of tissue onto a tape. We'll eventually get a hugely long tape, which is essentially the whole brain. Using an electron microscope , we will image that to see the structure of the wiring."

So far, Brainbow and the ATLUM are being used only to study animals with relatively small brains, like mice.

So, what's the point? What, if anything, can mapping accomplish? Learn what we can learn from mapping the human brain on the next page.

Can a phMRI study pain?

In a study at Britain's Oxford Centre for Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain, researchers recorded images of patients' brains as their skin was burned and as the patients received increasing doses of painkiller. Pain centers in patients' brains became less active as the drug doses increased. This straightforward measure of a drug's effect in the brain may eventually be used to test psychiatric drugs [source: Matthews].

Why would scientists take on the arduous task of brain mapping? The answer is simple, says Lichtman: to understand our brains more intimately. We have never seen a diagram of how all of the neurons in the brain connect. As Jeff Lichtman puts it, "A lot of our thinking about the brain is based on incomplete knowledge of what is actually there. So we would like to see what is actually there."

The brain's wiring diagram may help us better understand how we learn and adapt, says Lichtman. "We start out being less well adapted to our environment than any other animal. By the time we're adults, we can use tools that our genetic heritage couldn't possibly have taught our nervous system to use -- like iPods. No other animal can do that. During our development, we must wire ourselves to [be able to] use these machines."

Brain mapping is also of practical use to doctors. Neurosurgeons use brain mapping to plan safer surgeries. One treatment for epilepsy, for example, removes the affected part of the brain. Using functional MRI and EEG, surgeons can locate the seizure center in a patient's brain -- as well as areas that are active during speaking and moving -- down to the millimeter. These images tell doctors what to leave and what to cut out.

Brain imaging is not only used in treatment. It is used to diagnose neurodegenerative diseases like Parkinson's and Alzheimer's [source: Wilson]. Using tagging techniques like PET, doctors look for drops in certain brain chemicals, or they may use MRI to examine shrinkages in areas show tissue loss. Over time, doctors can map what the brain looks like as diseases progress or as treatments work [source: Institute for Neurodegenerative Disorders].

Developmental disorders like autism may have a structural basis in the brain. Lichtman points out that autism is thought to involve a series of wrong connections between neurons. By applying Brainbow to a mouse with autism, researchers might see the wiring diagram evolve to find out how, when and if the wiring goes wrong.

Scientists have also sought to illustrate the effects of various mental illnesses in the brain, with some success. Brain imaging on these patients revealed structural abnormalities. For example, structural MRI has shown that schizophrenic patients lose matter in the temporal and prefrontal cortex over time [Source: Rapoport]. These findings have yet to lead to treatments.

Panic disorder , bipolar disorder , depression , anxiety, eating disorders and more are being examined using different brain imaging techniques, but how do we interpret scientists' findings? More importantly, where can we see them? Find out on the next page.

Sarcasm Mapped. Consciousness Still Elusive.

Doctors and scientists have learned more from brain mapping than this article can cover. Here are two highlights:

• Sarcasm: We detect sarcasm using a brain region called the right parahippocampal gyrus. Researchers discovered this using functional MRI on patients with deterioration in that region and have lost all sense of sarcasm [source: Hurley].
• Consciousness: According to Rodolfo Llinas of New York University, we can divide the brain into a synchronization center deep in the brain and neuron loops that give us higher thought. We feel conscious when the center keeps the loops working in harmony. But if either part is damaged, we may lose some or all consciousness, says Nicholas Schiff at Cornell University's Weill Medical College. This may explain why patients with no outward signs of consciousness for years may show completely normal brain activity in response to a familiar voice. They have loops working in isolation, like the neural networks that process language [source: Zimmer].

Neuroinformatics places all the data we have on the brain on the Internet in usable form. The data include images, models of neuron behavior and maps of the genes that are "turned on" in different brain regions. By making the data sharable and searchable, brain researchers can piggyback off of one another's studies and discover more.

Engineers are writing software to help brain researchers share and compare data. Software now analyzes, for instance, whether MRIs of Alzheimer's patients with different brain sizes and shapes have similar brain features. Are men with a certain brain architecture predisposed to bipolar disorder? This question, and many others, may one day be answered by computer programs that re-analyze images of past patients rather than by studying new ones.

Here are examples of brain atlases that researchers can mine for answers:

Images aren't the only source of information. Here are examples of databases brain researchers use:

Now that we can map the human brain, how far have we gotten? Are we done yet? Are we even close? Find out on the next page.

After imaging the brains of populations large enough to generate statistics, researchers have made sophisticated brain maps. There are maps to illustrate where we lose brain volume as we age, as AIDS progresses and as we use methamphetamines.

What would a complete map of the human brain look like? That depends on your interests. If you thirst to know the brain's structure, you might want to see that hypothetical Google Earth version that can begin with a picture of our cortex and zoom in to neuron number 888,898,432,857.

This complete, Google Earth type of map is stalled at many points. One such point is the imaging of all of the human brain's neurons and their connections. Even getting this data in the mouse is painstaking, says Harvard biologist Jeff Lichtman. At the rate the ATLUM and an electron microscope are now working, getting a map of all the interconnected neurons in the mouse brain would take 200,000 weeks, Lichtman estimates. The data would be "bigger than all the data on the Internet -- bigger than all the data in all the libraries in the world," he says. "At the moment, the kind of storage that's possible on computers is not quite up to task." The only "brain" for which we have a complete map of interconnecting neurons belongs to C. elegans, "a worm that's a millimeter long and has 300 nerve cells," says Lichtman.

Again, your definition of a complete brain map depends on your interests. If you're a neuropsychiatrist, for example, a complete map of the brain might be a time-lapse image showing how bipolar disorder unfolds in the brain from birth to the first symptom and what lithium does to stop the process.

That might not be enough for you. You might want to know the function of the brain's every last inch. Unfortunately, that's impossible. We can't capture functions that happen too quickly or too slowly, says neurobiologist Charles Wilson. Other processes take a lifetime. No imaging study has followed someone from birth to death . "No method that we know of handles every time of interest. No method we know of handles more than a tiny piece of it," says Wilson. At this point, Lichtman says there is no current effort underway to integrate all of these maps into one.

Ancak bu haritalardan herhangi birine veya tümüne sahip olamamamız için temel bir neden yok, diyor Wilson. "Sorunların hepsi üstesinden gelinebilecek pratik teknoloji sorunlarıdır. Herhangi bir haritada olduğu gibi, ham bir haritayla başlarsanız, harita olmamasından iyidir. Ve yeni bir haritaya ihtiyacınız yok. Eski haritaya bilgi eklemeniz yeterli. daha rafine hale getirmek için Bir gün uyanıp buna sahip olmayacağız Bugün biraz, yarın biraz ekleyeceğiz ve bir noktada, 'Vay canına, bu başlıyor' diyeceğiz. oldukça iyi görünmek için.'"

Beyin haritalama süreci hakkında daha fazla bilgi için sonraki sayfaya bakın.

Hepsini Kullanıyorsun

Beynimizin sadece yüzde 10'unu kullandığımız bir efsanedir. Hepsini kullanıyoruz. Beyin görüntüleri, tüm bölümlerde toplu olarak belgelenmiş aktiviteye sahiptir. Dahası, küçük bir alana verilen hasar, büyük yetenekleri silebilir. Profesör Eric Chudler'ın Washington Üniversitesi'ndeki web sitesinde yüzde 10'luk beyin efsanesi hakkında daha fazla bilgi edinin .

İlgili Makaleler

Daha Fazla Harika Bağlantı